基于BIM与三维GIS集成的房建设备运维监管信息系统设计与实现

王建伟，魏小娟

（1.北京经纬信息技术有限公司，北京 100081；

2.中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算机技术研究所，北京 100081）

铁路运输房建设备主要是指铁路运输生产使用的房屋、构筑物及其附属设备，比如铁路站房、旅客站台、站台雨棚、变电所、通信基站、办公楼等和附属的电气照明设备、水暖设备、供热空调设备等[1]。具体分类参照铁路运输房建设备大修维修规则[2]中针对房建设备的划分。其中站台、雨棚等的使用状态直接影响铁路的运输安全，站房、附属物的使用状态也不同程度的影响铁路运输生产和服务质量。因此，对房建设备管理技术要求越来越高，涉及专业也很广泛[3]。现有管理存在一些主要问题有：人工管理和检修效率偏低；文件资料数据量大，难于保存和管理；缺乏对信息数据的统计与分析；管理和监督难度大[4]。鉴于此房建设备管理迫切需要信息化的手段来提供技术支撑，可以利用地理信息系统（GIS，Geographic Information System）技术-建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）为施工管理提供可视化、信息化的手段，提高各阶段信息共享水平，节约成本，避免浪费[5]。为实现房建设备信息化管理，发挥信息系统在房建设备管理中的作用。本文依据铁路大修相关规程规定，结合房建设备具有的空间位置特性，利用GIS与BIM融合技术和数据库等技术，设计并实现了房建设备运维监管信息系统。旨在为铁路局、站段房建专业相关人员提供车站三维可视化展示、台账图纸查询以及运维数据的全过程管理，以进一步提升房建设备管理水平。

1 需求分析与设计

1.1 需求分析

房建设备运维监管信息系统是以房建设备为管理对象，针对房建设备使用、检查、维修等业务作业流程，研发适用于现场管理实际的应用功能，主要包括管理信息集成展示、网格可视化、设备检查、设备维修、大修改造等功能。系统实现了台账图纸等信息的统一集成，并对设备巡视检查中发现的问题做管理，根据问题是否危及旅客和行车安全、费用等因素来区分是否纳入检修、综合维修或大修更改。针对综合维修和大修更改，根据春秋检的情况，房建段向铁路局土房处提出申请，待上级批复同意后进行施工，在施工结束由车间自验，房建段及铁路局土房处进行验收，通过后形成纪要和竣工文件存档，从而实现闭环管理。

1.2 总体架构

根据业务需求分析，房建运维监管信息系统总体架构如图1所示。

图 1 系统总体架构

1.2.1 数据组织

（1）数据范围。系统所需要的数据包括基础数据（房建专业和其他专业数据）、非结构化数据（图纸、图片、视频等）、接口数据（外部接入）。

（2）建模范围。三维建模包括车站范围内所有专业的相关设备设施，主要为房建和其他专业。具体房建专业设备设施数据包括：建筑物、构筑物、排水设备、电照设备、消防系统、暖通系统等。

（3）准备工作。需要准备车站竣工图纸、其他专业竣工图纸、建模区域DEM地形图、建模区域遥感图等。

1.2.2 数据集成与共享

（1）数据集成。将收集的台账数据通过抽取、转换、形成规范化的模板数据导入数据库，并且将图纸、图片数据进行编码等规范化操作录入数据库，与台账数据进行关联，实现数据集成。

（2）数据共享。通过Oracle数据库与ArcSDE，利用空间数据库与属性数据库中相同的字段进行关联，实现空间数据和属性数据的无缝集成[6]。同时其他系统也可以通过服务调用的形式使用该模型，并获取车站及附属设备的空间信息，实现数据共享。

1.2.3 三维建模

（1）BIM建模。将竣工图纸按照建筑竣工图、结构竣工图、给排水竣工图、电气竣工图、暖通竣工图、消防竣工图和其他专业图纸分类，以这些图纸为基础采用主流的BIM建模软件，如Revit绘制标高和轴网，分别按照类别建立车站建筑模型、结构模型、构筑物、机电设备等模型，建模完成后检查，有问题返回重新建模，待模型无误后，贴纹理渲染最后导出模型。

（2）BIM与GIS转换。工业基础类（IFC，Industry Foundation Classes）是Building SMART为BIM应用提出的一种开放数据标准，以实现建筑内信息的表达，共享及应用，并已成为了国际标准（IS016739）[7]。IFC和CityGML（City Geography Markup Language）分别作为BIM和 3D GIS领域通用的数据模型标准[8-9]。BIM与GIS转换是将BIM的rvt格式通过一系列操作生成ArcgisPro所要求的格式。

1.2.4 支撑技术

为实现车站设备直观可视化展示、过程化管理以及业务信息集成共享，需要一些关键技术支持，包括设备三维建模技术、多源信息集成技术、网格化管理技术和可视化技术。其中，在三维建模技术中，主要研究解决三维场景搭建、GIS建模、BIM建模等关键问题；多源信息集成技术中，主要研究解决设备原始数据采集、数据格式转换以及设备台账、资料参数、病害维修信息的统一、集成展示问题；网格化管理技术中，主要研究解决车站网格划分规则、网格单元管理流程、运用方式问题；可视化信息系统中，主要研究解决三维场景融合、BIM融合、模型轻量化以及系统功能研制等问题。

1.2.5 业务应用

结合现场需求情况，开展具体的业务应用，包括集成展示、网格管理、设备巡检、设备维修、更新改造、统计分析等功能。

1.3 功能设计

结合数据展示需求和高铁车站房建管理业务现状，系统业务功能模块划分如图2所示。

（1）综合展示。利用三维GIS和三维BIM技术，将房建设备台账、设备图纸、设备图片和设备巡检记录、设备维修记录、设备大修记录等数据进行关联集成展示。并实现根据不同设备的基本信息以及其他参数实现不同的查询功能。点击列表具体的设备可在三维场景中实现定位功能。

（2）设备巡检。实现对设备巡检的全过程管理，检查分为日常检查、定期检查、春（秋）季检查、应急检查、健康监测统一管理，为车站房建巡检人员提供日常检查的线路规划功能，各类设备的到期提醒功能，对检查过程中发现的病害提供病害登记功能，并建立统一的病害库。

（3）设备维修。包括设备检修和综合维修。设备检修管理是结合设备检查和用户报修，对房建设备进行的简单修理产生的数据进行管理。综合维修提供对维修计划、施工管理、维修标准管理、验收管理以及维修机具的管理等功能。

（4）更新改造。提供对房建设备大修周期、大修计划、大修设计、施工过程、验收的全过程管理以及维修器具的管理等功能。

图 2 系统功能设计

2 系统应用

房建设备运维监管信息系统通过三维建模，发布车站三维服务，如图3为原型车站三维场景预览展示。如图4在列表中选择闸机，点击具体的设备可在三维场景中实现定位。并且展示相关信息，包括基本台账、设备图纸、设备图片、巡检记录、维修记录、大修记录。

图3 三维车站预览

房建设备巡检是为了解和掌握房建设备使用功能、技术状态、局部病害进行的现场查勘、检验等，通过巡检人员进行日常检查、定期检查、春秋检发现相关问题，做出记录，为开展维修大修工作提供依据。设备巡检依据巡检周期制定巡检计划，同时根据巡检周期可设置周期提醒功能。不同设备针对不同的检查内容可设置不同周期，如图5所示。可按照设备、部位、周期等进行查询。

同时针对不同设备巡检并且登记记录，如针对雨棚巡检形成的巡检记录，如图6所示。

3 关键技术

3.1 BIM与三维GIS可视化融合技术

（1）三维GIS技术。采用轻量的WebGL技术实现三维场景和模型的绘制、渲染，客户端无需任何浏览器插件。CityEngine通过CGA规则建立模型的方法，能够构建模型库，实现快速调用，而且可以通过制定规则与数字地形图紧密结合，实现大范围的批量、高效建模，建出的三维模型优化后体量较小，在三维地图环境中加载速度更快。GIS建模适合批量建模、其建模效率高，适合大场景三维模型。

（2）BIM建模技术。BIM建模软件建造过程比较精细，可以实现施工前建筑物的可视化，可以模拟搭建检验模型冲突的地方，同时可以出工程图，实现工程方案的检验和优化。但是建模过程相对复杂，而且不能进行批量建模，一次建模周期较长、效率低，不适合建立大范围的三维场景。

（3）BIM+GIS融合技术[6]。将BIM的rvt格式通过Revit软件中的插件转换为中间格式RVZ，使用ArcGIS中的工具将其转换为主要提供属性信息存储的FeatureClass，导入三维模型导出路线中生成的OBJ文件与属性文件导出路线生成的属性文件进行关联，最终生成含有属性信息的多面体（Multipatch）文件并储存在相应数据库中。这个过程基本由软件完成，颜色和透明度会保存比较完整，整体效果比较理想。

3.2 房建设备系统化模块建模技术

针对高速铁路客运站实际特点，为满足车站建筑、空调系统、水暖系统等设备设施在复杂空间位置及其相互关联关系的直观展示要求，明确建模范围，需要准备的资料有车站竣工图纸、其他专业竣工图纸、建模区域数字高程模型（DEM）地形图、建模区域遥感图等，采用模块化系统建模，基于GIS+BIM技术，对外部可见设备以及设备间隐蔽工程进行建模。研究高铁房建设备的关联关系，隐蔽工程各系统设备通路的建模方法和一般规律。

3.3 海量数据量条件下三维地理信息展示与模型优化技术

车站内设备类型多、数量庞大、系统复杂。针对大数据量模型实时可视化展示问题，本研究将采用与视点相关的适合大数据量三维模型实时绘制的简单高效的算法，并根据模型的复杂度的不同对三维地理信息数据间隔提取然后渲染，采用抽壳技术和细节层析技术过滤冗余信息，通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性，从而提高绘制算法的效率[10]，保留三维模型必要的结构和现实信息等，并对数据进行简化和压缩，减少模型浏览需要的工作量。保证模型在一定的精度条件下具有较高的压缩比，从而显著降低了车站三维地理信息模型的复杂度和计算量；同时有效地简化三维模型的绘制，提高三维模型实时渲染效率。

3.4 基于空间信息的多维格网划分技术

本研究以空间信息为基础，按照区域进行格网划分，同时以系统、设备类型、隐蔽工程等多维度建立立体格网，从而能够对房建设备进行多视角的关联分析。多维网格化管理是将车站房建设备按照建筑空间位置、系统影响范围或者运营管理职责范围等一定的外在标准划分成若干网格单元，利用现代信息技术和协调机制，构建能够精确监控车站设备状态、及时进行设备维修决策的虚拟车站，更彻底、更精细的进行设备管理，实现更全面的设备状态信息互联互通，为车站房建设备闭环管理提供基础支撑，这是高速铁路车站房建设备管理的核心要求。

4 结束语

系统基于房建设备管理相关技术要求与现场实际情况，能够实现高速车站房建专业信息相关数据的集成可视化管理；在三维场景中实现可见设备与隐蔽工程的基础展示，包括图纸等在线预览功能，可为提高检修效率提供支持。同时可实现对房建设备检查、维修以及大修技改的全过程管理，通过GIS和BIM技术深度融合，将进一步提升车站信息化和管理能力。此外，系统试验已在丹阳北站、天津南站开展试点，研究不同铁路局的管理方式，做到统筹兼顾，具备应用推广价值。